关于路由的那些事

XXZX学习平台2020-11-29 13:31:11



本文源自cfan


随着智能手机等无线设备的普及、以及光纤入户等互联网接入方式的改变路由器也应该升级。作为连接外网和内网的桥梁,路由器是整个网络最后一米中的设备,其品质和功能至关重要,比起事后出问题修修补补可能选对一款路由器更加重要。下面针对很多目前可能遇到的路由器知识,我们尝试将生涩的技术转换成读者通俗易懂的内容。

 

家用路由的三六九等

目前市售的路由器品牌、种类和标准繁多,路由器技术和产品早已今非昔比,可路由器知识相对会比较抽象,作为普通用户来讲想要完全掌握其中知识较难。家用路由器如何分类和选择,让我们来首先有一个概念。

 

一、以种类协议区分

目前家用路由器类型大体分为有线和无线两种,而针对无线也就是我们常说的Wi-Fi(国内有时写作WLAN)有一个无线网络通信标准,目前又被分为IEEE 802.11a/b/g/n和802.11ac两大类。所选路由器使用了哪一种802.11协议,是我们选择家用路由器首先要关心的第一个点(图1)。关于802.11协议之间的区别,让我们一起来看下表。

 

表1:IEEE 802.11协议表

技术规格         802.11n   802.11ac 802.11ad

常用频率         2.4GHz、5GHz        5GHz        60GHz

常用频宽         20MHz、40MHz     80MHz(160MHz)        80MHz(160MHz)

单通道速率     150Mbps 433Mbps(80MHz)/867Mbps(160MHz)         -

常见大速率     600Mbps(4×4 40MHz)     1733Gbps(4×4 80MHz)    4600Mbps/7000Mbps(目前最大)

室内传输距离         约70米   约35米   约10米

1、802.11n/ac/ad最大不同:速度

在IEEE 802.11中a/b/g有超过十年以上的历史已经不是今日主流(图2),在目前的无线网络通信标准中主要是802.11n、802.11ac这两种,而下一代产品802.11ad还尚未普及,通过上表我们能简单看出它们之间的区别。

802.11n

802.11n标准速率较慢,其单通道150Mbps折合成数据传输只有18.75MB/s也就是18兆左右每秒。就算是多通道也鲜有600Mbps的四通道产品,常见的802.11n一般停留在三通道450Mbps这个速率上,相对其他两种标准来讲是比较慢的(图3)。

802.11ac

802.11ac是目前家用路由器中的主流(图4),单通道速度一跃到433Mbps也就是54兆每秒,典型的三天线版本802.11ac路由器其中的ac速率可以达到1300Mbps也就是162兆每秒,这个速度已经接近HDD硬盘的速度了。

802.11ad

802.11ad目前还属于一种未来的标准,目前只有TP-Link等少数厂家有已经推出的成品(图5)。比起现行标准来讲,在无线传输时增加了一个超高的60GHz频率所以几乎不会受到任何干扰,同时速度可以轻松超越目前所有ac路由器。

编辑点评

结合上表和三种标准的区别,其实针对802.11n、802.11ac、802.11ad来讲,我们对其最好的理解就是速度不同。不过请注意这里谈的速度是路由器端的速度,而实际上我们手上的笔记本电脑、智能手机和平板电脑能否达到这一速率还要看设备端的网卡和天线情况,在下面我们会有提及。

2、多天线看点:路由器手机天线数量需对应

关于路由器天线其实可以这么理解:品质档次上乘的路由器天线数量一定不会少(一般大于等于三根,内置天线的高档路由器极少);但并非所有天线多的路由器都是高档产品。由于有些产品802.11n、802.11ac、802.11ad甚至多ac网络分别使用不同的天线,所以路由器会像螃蟹一样夸张(图6)。

很多人在购买路由器时候比较看重天线的数量,并以天线数量来区分路由器的档次。严格来讲这是不对的,路由器也从来没有使用天线数量来区分过档次。结合表1,比如802.11n路由器单天线(通道)在40MHz频宽下的速率为150Mbps,那么双天线就是300Mbps路由器,三天线就是450Mbps(图7),以此类推。细心的读者会发现一个规律,路由器在某一个802.11通信标准的最终速率,其实是由这个通信标准的典型速率×天线数量达到的,比如802.11n的150Mbps×4天线=600Mbps理论值。

火速链接

对802.11ac路由器而言,天线数量和速率的关系就要参考2了。比如号称900Mbps的产品需要3路11n+1路11ac的天线组合,即3+1根天线(150Mbps×3+433 Mbps×1)。一些高端路由器会采用11n和11ac双路天线 “二合一”设计,即Dual-Band天线。以华硕RT-AC68U为例,它就通过3根Dual-Band天线实现了3路11n+3路11ac的速率。有关路由器天线的详细判断标准可翻阅本刊2016年第6期特别话题,或是登录http://www.cfan.com.cn/2016/0425/125877.shtml查看。

表2:路由器与天线对应关系表

传输速率

54Mbps

150Mbps

300Mbps

450Mbps

900Mbps

1300Mbps

1750Mbps

天线数量

1

1

2

3

4

5

6

802.11n

----

1路

2路

3路

3路

3路

3路

802.11ac

----

-----

----

----

1路

2路

3路

 

但是我们购买了4天线路由器,我们手中的笔记本电脑、智能手机和平板电脑就能以这个速率彼此连接吗?不一定,这还取决于移动设备一端的天线数量。在笔记本电脑、智能手机和平板电脑当中只要是支持Wi-Fi的设备其中必有无线网卡和其对应的天线,通常并不像路由器那样将天线外置,但确实是有着天线数量的不同的。常见的笔记本电脑天线数量只有1-2根(图8),高端一些的产品才自带3天线或者在网卡支持情况下自己加装才有3根天线(图9)。而绝大多数智能手机和平板电脑都还在使用单天线(图10),使用双天线的产品只有iPhone 6s等少之又少的几款(图11)。如果使用这样的设备去连接路由器,速率取决于天线较少的那一端(图12)。

编辑点评

这就是MIMO多输入多输出系统,路由器端的多天线需对应移动设备的多天线(图13),这两者之间如果有一端天线数量不达标就无法达到那个理论的速率最大值。这种局限在实际使用环境中就是:就算我们的路由器有4天线,可手机内部如果只是内置单天线,无线连接速度还是只能以最低的单通道一档进行(图14)。但并不是说我们就算家用要求较高,去购买一根或两根天线的路由器也可以,因为所有稍高档的路由器都是至少三根设计,购买路由器这种设备有时候需要稍微超前一些,因为现在移动智能设备发展实在是太快了。

 

 

3、Wave2和MU-MIMO:让路由器从单线程到多线程

上文说到虽然无线路由器有多天线,但最终决定速度的还得看移动设备端,所以这个MIMO系统虽然设计初衷很好但对于目前的使用环境并没有多少帮助。可能有用户会想,我们的手机虽然只有一根天线,但同时在一个Wi-Fi内不是有多个人在用手机吗?所以多天线路由器也不算浪费。在一种全新二代802.11ac路由器推出之前这个想法实际上是行不通的,让我们往下看。

MIMO系统虽然提供了多天线与多天线之间的连接,实际上我们的路由器也经常是同时连接了许多个无线设备,但是关于MIMO系统有一个知识点你必须注意,那就是传统MIMO系统只是一种单用户多进多出的技术,其虽然可以通过多路同时传输的方式提升路由器与单个设备之间的速率,但在同一时间和同一个频段内路由器只能够与一个设备通信(图15)。

假设路由器是一个Windows系统的话,路由器只能同时进行一个进程,处理完之后才能开始下一个进程。这种设计与现代家庭和办公场所多人同时使用无线网络的实际环境格格不入,在很多网络不佳的真实案例当中其实这种类似单通道的局限,才是我们的移动设备总感觉无线效果不好的症结所在。

近期推出了一种名为802.11ac Wave 2的设备,其中最大的看点就是一种名为多用户多进多出的MU-MIMO技术。这种技术在常规MIMO的基础上添加了多用户同时通信机制,路由器不用像以前那样一个一个去连接用户手中的设备,在运行时侯会根据实际需要同时智能分配每一个设备所需的网络资源,这解决了以往无线网络在复杂环境中最大的问题(图16)。

编辑点评

举个生动点的例子,在802.11ac Wave 2之前的路由器全都是一颗只有一个核心的CPU,同时还只能运行一个Windows程序,直到运行完毕再开始下一个程序。不论这颗CPU的单核性能有多么强它也只适合运行单任务,只要我们有两个以上的无线设备其网络通信就需要排队。如果读者家中的无线设备众多并存在经常同时使用的情况,强烈推荐更换为支持MU-MIMO的802.11ac Wave 2路由器。虽然目前802.11ac Wave 2路由器价格不菲,不过这个MU-MIMO才是在各种方面改善无线体验的技术(图17)。

 

二、购买中容易混淆的概念

路由器的速率高低相对比较容易理解,而无线信号传输时使用的频率就显得有些难懂。频率从数据看802.11n使用2.4GHz或者5GHz,而802.11ac多采用5GHz,未来的802.11ad甚至使用了60GHz(图18)。他们之间有什么区别?这个频率是否越高越好?

1、2.4、5GHz区别:不是“车速”是“车道”

由于使用5GHz频率的有802.11n、802.11ac两代路由器,在认知上有时会产生一定混淆,在802.11ac还未普及时有一些802.11n的路由器重点用无线频率5GHz来进行宣传而不提无线802.11协议也存在一定程度的误导。实际上2.4GHz、5GHz甚至是60GHz只是路由器在传播无线信号时候所用的工作频率,在理论上来讲这个频率与速度并没有直接关系,决定速度的是802.11协议本身。而实际情况是由于802.11n多使用2.4GHz,而802.11ac多使用5GHz所以给人了5GHz要比2.4GHz快的假象。

在实际使用时,确实有一些用户发现了同样都是802.11n标准,但通过5GHz频率发射的SSID速度快过2.4GHz的无线网络。这是为什么呢?我们身边几乎所有支持无线的设备大多数都是通过2.4GHz的频率来工作的,比如支持Wi-Fi的家电、无线键盘鼠标和一些蓝牙设备都在使用这一频率。而2.4GHz频率内信道又十分有限,在2.412GHz到2.472GHz之间通常只有13条开放。而且每一个信号都需要占用22MHz的频宽,比如说一个设备在信道六,实际上占了4、5、6、7、8五个WLAN信道(图19)。再考虑到一墙之隔的邻居家同样有这样一个2.4GHz频段,彼此之间会有很大的干扰,2.4GHz网络环境混杂不堪(图20)。

 

5GHz频段的范围比起2.4GHz无疑要宽广得多,覆盖范围实际上是4.9GHz到5.8GHz,信道的划分也更多样化(图21),能够有效减少2.4GHz频段内设备多同时信道少导致的带宽不足问题。

编辑点评

比较形象地讲,如果说2.4GHz的无线频率是两条车道的小路的话,5GHz无线频率就至少是五车道以上更通顺的大路。当然如果读者使用的路由器只有2.4GHz频道,可以参考特别话题后面关于改善无线信号部分的信道内容。

2、信号和穿墙能力:2.4GHz比5GHz好的原因

仔细看IEEE 802.11协议表中传输距离,使用2.4GHz的802.11n传输距离是70米,而5GHz的802.11ac只有35米,而到了60GHz的802.11ad就干脆只有10米了,这是为什么呢?在实际使用时,很多用户都会发现2.4GHz信号比5GHz好、或者2.4GHz信号比5GHz穿墙能力强。

越高级的无线网络传输距离越短,这其实是由电磁波的特性决定的。首先电磁波的频率越高波长就越短,因此5GHz的波长显然比2.4GHz要短(图22)。而无线网络电磁波传播方式是直线,在碰到障碍物时无线网络主要是进行穿透,只有小部分的信号会发生反射和衍射。电磁波穿透障碍物时会损失大量的能量,有时候未穿透障碍物能量已经耗尽,结果反倒是少部分反射和衍射的信号到达了设备。

5GHz电磁波虽然有很强穿透力,但反射和衍射能力远不如2.4GHz频段。遇到障碍物时5GHz信号几乎全用于穿透,而2.4GHz反倒通过反射衍射绕过了障碍物继续传播,因此在我们看来信号强度更强(图23)。

其实真正从底层决定路由器信号的并不是天线数量或者2.4GHz还是5GHz传输,而是路由器的发射功率和天线的增益。虽然在理论上天线发射功率越大无线传输距离越远,覆盖范围和穿透能力就越强,但实际上能够控制发射功率的路由器固件少之又少,中国对于无线路由器发射功率又十分保守。

市面上流传的自行更换高增益天线,这些看上去很唬人的高增益天线不会神奇地创造功率,而只是一味增大路由器天线的增益,要注意有些场景可能造成反效果。高增益天线虽然可以把信号集中于某个方向因此信号指向性更好距离也会更远,但高增益天线也会造成信号方向更狭小容易产生死角。所以对于大型室内环境来讲,自行更换的高增益天线反而会使覆盖变差。一句话:天线的增益越高,使用的有效角度越小(图24)。

编辑点评

看到这里大家应该可以知道,2.4GHz信号传播距离和“穿墙能力”为什么有时比5GHz信号更好。实际上高频率的5GHz信号在穿透力上反倒更好一些,只不过很多时候信号仅通过穿透是无法过墙的,这时绕墙过来的2.4GHz信号反而占了上风。至于自行更换增益天线需要准确把握家中无线网络的布局,否则很难实现好效果。

 

三、智能和普通路由器之分

近几年由于大量互联网品牌加入了路由器领域,在购买路由器时除了区分802.11ac或者802.11n之外,还有智能路由器和普通路由器之分。这两种路由器各有特色分别适合不同的用户,不过近期两种产品有互相融合同化的趋势。

1、普通路由器:功能多强调稳定

比如我们熟悉的CISCO、LINKSYS、NETGEAR、ASUS、TP-LINK、D-LINK等等品牌都可以算作普通路由器。它们的产品虽然档次高低不同但总体风格一致,相对传统的设置界面,比较完整的WAN和LAN口功能(有些高端产品LAN口有6到8个),以及相对普通一些的操控方式(图25)。除此之外很多传统路由器厂商也在推出一些便携式的路由器,虽然造型上与智能路由器有些相似,但实际上从骨子里还属于普通路由器。如果用户家中网络设备多同时预算宽裕,还是推荐尽可能选择那些相对高端一些的产品。

2、智能路由器:功能简单强调易用性

我们之前评测过的极路由、360智能路由器、迅雷路由器都算这一类。比起传统路由器千篇一律的进入方式:浏览器输入192.168.1.1,智能路由器提供了不少新的登陆方法(图26)。进入后的界面不再是大量文字,而是提供了很多图形化的风格。与其配套的手机端app多数都支持远程控制,提高了设备的可玩性但同时也确实多少有些安全隐患。同时智能路由器的LAN口通常都很难达到标准的4个,多数只有2到3个,甚至有些产品只有一个。智能路由器主打新奇功能(图27)、捆绑增值以及远程app控制,相对比较适合新潮用户和对于网络有简单要求的用户使用。

编辑点评

平心而论如果用户对于家中局域网的要求比较高,同时在互联网连接方面有比较高的稳定性要求的话,这里还是推荐传统路由器。目前传统路由器已经在向智能产品学习,在保持自己一贯的高稳定性基础上逐渐加入多种实用的功能,以及逐渐改善设置界面的观赏性和可读性,甚至有一些传统路由器通过固件和对应app也实现了远程控制功能。

 

四、扩展阅读

路由器的硬件部分——芯片和其他部件

和主板、显卡等等领域一样,最终决定一款产品售价、性能和档次的不仅仅是路由器品牌、定位、做工和规格,其中使用了什么芯片也成本和售价中关键的一环。路由器的芯片是由中央处理器、802.11n无线芯片和802.11ac无线芯片三方面组成。

中央处理器主流都是单核,也有部分双核的高端产品,主频在1.4GHz以上。而内存分为Flash闪存和RAM内存两种,目前旗舰级别的路由器这两个数值分别为128MB和512MB,其实RAM一般达到256MB就已经算是相当不错的产品了(图28)。除了中央处理器和内存之外,决定路由器品质的还有支持几个USB接口,是否支持USB 3.0接口等等。

现在无线路由器主要有两大品牌提供高端解决方案,分别是Broadcom(博通)和Atheros(已被Qualcomm高通收购);低端则是由相对廉价的Ralink(雷凌)和Realtek(瑞昱)占领入门市场。除了比较有名这几家之外还有小部分市场份额,包括定位相对尴尬的Marvell,和只负责路由器中央处理器而并没有无线芯片的Ubicom。

一般市场上常见的路由器品牌当中,CISCO(思科,图29)早期多采用Intel方案,之后换用Broadcom方案;ASUS(华硕)路由器一直走高端路线始终坚持Broadcom方案,其竞争对手NETGEAR(美国网件)则高端选用Broadcom、中端Marvell和Atheros、低端Realtek种类繁多。海外比较有名的品牌中Buffalo(巴法络,图30)早期清一色Broacom、目前高端多用Atheros低端用Ralink;Belkin(贝尔金,图31)则是中高端Broadcom中低端Ralink的方案。我们常见的路由器当中,D-LINK几乎各家的芯片都用;而TP-LINK、水星Mercury等是同一家网络公司,芯片多选用Atheros和目前开始逐渐出现的MTK(联发科)芯片。

 

至于产品的无线芯片其实普通用户无需费力了解,从路由器的参数中可以看出对应的性能。如果对技术和芯片有兴趣的用户可以去这个Wiki查询各型号路由器芯片和硬件信息:http://wikidevi.com,这里有关于路由器配置的一切(图32)。

 



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